Thông số thiết kế:
Chiều dài băng: a= 990mm. Chiều rộng băng: B= 200mm. Vật liệu con lăn: thép.
Vật liêu đai: nhựa PVC.
Trọng lượng quả trên 1m chiều dài băng tải: m1 = 1kg/m. Khối lượng băng tải dự kiến: m2 = 2 kg.
Năng suất băng tải mong muốn: 360 quả/h. Năng suất băng tải: 360 quả/h
Một quả đi hết: 1 360(ℎ) = 10(𝑠) Vận tốc băng tải: 𝑣𝑏𝑡 = 990 10 = 99(𝑚𝑚/𝑠) = 0,099(𝑚/𝑠) (3.1) Tính chọn động cơ
Tốc độ quay puly băng tải:
𝑛1 = 60 . 𝑣 𝜋. 𝑑1 =
60.0,099
24
Hình 3.3 Lực phân bố trên puly dẫn động băng tải
Với Fms: Lực ma sát sinh ra do dây đai và bánh đai. P: Trọng lực tác động lên băng tải.
M1: Momen để động cơ tải quả.
M2: Momen để động cơ quay chống lại ma sát sinh ra. Lực ma sát sinh ra do bánh đai và dây đai:
𝐹𝑚𝑠 = 2. 𝜇. 𝑁1 = 2. 𝜇. 𝑚2. 𝑔 = 2.0,4.2.10 = 16(𝑁) (3.3) Với hệ số ma sát giữa bánh đai và đai µ=0,4
Momen để khắc phục lực ma sát sinh ra:
𝑀2 = 𝐹𝑚𝑠. 𝑟 = 16.0,18 = 0,288(N.m) (3.4) Công suất để khắc phục lực ma sát sinh ra:
𝑃2 = 𝑀2. 𝑤 = 0,288.5,5 = 1,6(W) (3.5) Momen cần thiết để dịch chuyển quả:
𝑀1 = 𝑃. 𝑙 = 1.10.0,38 = 3,8(N.m) (3.6) Bỏ qua ma sát giữa quả và dây băng tải
Công suất cần thiết để dịch chuyển quả:
𝑃1 = 𝑀1. 𝑤 = 3,8.5,5=20,9(W) (3.7) Công xuất động cơ:
25
𝑃𝑑𝑐 = 𝑃1+ 𝑃2 = 20,9 + 1,6 = 22,59(W) (3.8) Từ kết quả trên ta chọn động cơ giảm tốc TSUKASA công xuất 30W với tốc độ quay qua giảm tốc 60 rpm momen xoắn 10 N.m.
Hình 3.4 Động cơ giảm tốc TSUKASA
Thông số động cơ:
- Điện áp: 12 – 24 VDC - Công xuất: 30W
- Hệ số giảm tốc: 1/40
- Tốc độ động cơ không tải: 134 v/p - Tốc độ đông cơ có tải: 83 v/p
- Moment:10 N.m 3. 1. 2 Chọn bộ dây đai
Dây đai được chọn để truyền động từ động cơ DC giảm tốc Tsukasa cho băng tải là dây đai cao su để đáp ứng được độ bền cũng như khả năng co dãn trong quá
26
trình làm việc. Loại dây đai nay trên thị trường có rất nhiều mẫu mã nên để chọn được loại dây đai phù hợp nhất thì cần phải dựa vào lý thuyết để tính toán chọn dây.
Hình 3.5 Dây đai
Chiều dài của dây đai được tính theo công thức:
𝐿 = 2𝑎 + 𝜋(𝑑1+ 𝑑2)
2 +
(𝑑2− 𝑑1)2
4𝑎 (3.9)
Trong đó:
L: chiều dài dây đai (mm)
a: khoảng cách tâm của 2 puly (mm) d1: đường kính puly 1 (mm) d2: đường kính puly 2 (mm) Thay vào ta có: 𝐿 = 2.240 + 𝜋(20 + 55) 2 + (55 − 20)2 4.240 = 600(𝑚𝑚)
Lại có kích thước dây đai hệ inch:
L(inch) = L(mm)/25,4 (3.10) => L = 23,5 (inch)
27
Từ những kết quả trên, nhóm chọn sử dụng dây đai loại A24 có chu vi 24mm và chiều rộng 13mm.
3. 1. 3 Chọn động cơ Servo
Các bộ phận trên của cơ cấu phân loại quả là : phần khung phân loại, thanh điều hướng quả, Servo,… Khối lượng trung bình của một quả cà chua là 25g. Do đó dựa trên khối lượng tính toán trên nhóm đã chọn và sử dụng động cơ Servo SG90 có sẵn trên thị trường với momen xoắn là 1,8kg/cm
Động cơ Servo SG90 là loại động cơ được dùng phổ biến trong các mô hình điều khiển nhỏ và đơn giản như cánh tay robot. Động cơ có tốc độ phản ứng nhanh, được tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM.
Hình 3.6 Động cơ Servo SG90
Thông số kĩ thuật: - Khối lượng : 9g
- Kích thước: 23mmx12.2mmx29mm - Momen xoắn: 1.8kg/cm
- Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây - Điện áp hoạt động: 4.8V(~5V)
- Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC
28
Khung băng tải: Sử dụng khung băng tải nhôm định hình 30x30,30x60 được ưa chuộng trong công nghiệp sản xuất lắp ráp điện tử chịu tải trọng nhẹ và vừa vào những năm gần đây vì ưu điểm đẹp, nhẹ, tính linh hoạt cao dễ thay đổi kết cấu theo yêu cầu sản xuất.
Hình 3.7 Nhôm định hình 30x30
Nhôm định hình 30x30 được sử dụng để chân cho băng tải do độ bền cao khi nâng đỡ cả một hệ thống băng tải lớn. Được làm từ vật liệu nhôm nên nó khá bền với môi trường và dễ dàng lắp đặt bảo trì và thay thế Ngoài ra nó còn rất phổ biến trên thị trường nên dễ dàng mua.
29
Hệ thống sau khi hoàn thiện có ước tính 30kg nên vì vậy nếu chỉ sử dụng nhôm định hình thì sẽ không tránh khỏi việc rung lắc nên nhóm đã lựa chọn và sử dụng chân đế nhôm định hình để hệ thống làm việc ổn định hơn, giảm rung lắc, va đập và khả năng đổ mô hình gây hỏng hóc trang thiết bị.
Hình 3.9 Nhôm định hình 30x60
Do băng tải có chiều dài lớn nên sử dụng nhôm định hình 30x60 làm các thanh dài nối 2 đầu băng tải để gia tăng độ vững chắc của băng tải, Tránh rung lắc trong quá trình vận hành hệ thống
30
Dây đai băng tải là một bộ phận của hệ thống băng tải giúp cho việc vận chuyển sản phẩm trên băng tải một cách dễ dàng hơn. Có rất nhiều loại vật liệu dùng để sản xuất dây băng tải hiện nay trên thị trường, chúng giúp cho quá trình vận chuyển của hệ thông băng tải diễn ra ổn định và vận hành ổn định hơn.
Theo tải trọng và yêu cầu của sản phẩm ta dùng dây băng PVC được làm từ chất liệu nhựa dẻo tổng hợp Polyvinylclorua loại dây này có giá thành rẻ dễ chế tạo dễ bảo trì và thay thế. Với các đặc điểm là dày từ 1- 5mm để đảm bảo duy trì hoạt động tốt, bền đẹp và chắc chắn. Bề mặt của dây dai băng tải là bề mặt làm việc chính của băng tải.
Hình 3.11 Ke góc vuông nhôm định hình
Đồ án sử dụng nhiều nhôm định hình gắn lại với nhau nên không thể thiếu được các ke góc vuông cho nhôm định hình để các thanh nhôm gắn vững chắc lại với nhau. Để nâng đỡ mô đun phân loại gồm có Camera, động cơ Servo, thanh điều hướng quả,... và để gắn nó lên phía bên trên băng tải nên nhóm đã chọn và xử dụng tấm nhựa PVC trắng bởi nó có giá thành rẻ và rất phổ biến trên thị trường.
31
Hình 3.12 Tấm nhựa PVC trắng
Các loại ốc vít thường được sử dụng trong mô hình chủ yếu là các loại bu lông đai ốc, lục giác 5mm và 6mm được dùng để cố định các thanh nhôm định hình lại với nhau, cố định động cơ và xây dựng mô hình.
Hình 3.13 Bulong lục giác
Các thành phần của hệ thống sau khi đã lựa chọn được vật liệu thì chúng sẽ được lắp ráp một cách cẩn thận và chắc chắn để hệ thống hoạt động một cách ổn định và an toàn thì từng mối ghép từng con ốc cần được kiểm tra kĩ lưỡng trước khi hoàn thiện và đưa ra hoạt động chạy thử để đánh giá.
32
3. 2Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển 3. 2. 1 Thiết kế hệ thống điều khiển 3. 2. 1 Thiết kế hệ thống điều khiển
Mô hình mạch điều khiển cho hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc gồm Arduino nhận tín hiệu từ máy tính sau đó mạch điều khiển Arduino Mega256 điều khiển tốc độ DC thông qua cầu H L298N cho băng tải chạy, đồng thời Arduino cũng điều khiển servo quay để phân loại sản phẩm.
Hình 3.14 Sơ đồ hệ thống điều khiển
Mô tả hệ thống: khi sản phẩm được đưa vào băng truyền di chuyển đến gần vùng phân loại sẽ được cảm biến tiệm cận phát hiện và modun phân loại sẽ làm việc. Camera chụp ảnh quả cà chua gửi về cho thuật toán máy tính toán tách quả ra khỏi nền và chuyển ảnh về dạng nhị phân đen trắng. Tính số pixel màu trắng là số pixel phát hiện vật còn màu đen là pixel của nền. So sánh chúng với nhau để đưa ra phương án phân loại rồi gửi tín hiệu cho Arduino để điều khiển Servo phân loại.
Máy tính
Camera
Servo phân loại
Mạch cầu H WinForm C# Arduino Mega256 Băng tải Hộp giảm tốc Động cơ Sản phẩm Cảm biến
33
3. 2. 2 Chương trình điều khiển hệ thống cơ khí
Lưu đồ điều khiển cơ khí:
Đ
S
Khi khởi động động cơ thì quả cà chua sẽ được chạy trên băng tải. Khi quả đến gần cơ cấu phân loại sẽ được chụp lại và xử lý xem nó có đạt kích thước và màu sắc hay không để cơ cấu phân loại quả đến làn chính xác nhất.
START Motor băng chuyền chạy Thỏa mãn dk kích thước Xử lý màu quả
Màu đỏ Màu xanh
Servo gạt sang trái 180 độ
Servo gạt sang phải 180 độ Phân tích
34
3. 2. 3 Thiết kế hệ thống điện
• Thiết kế sơ bộ cho hệ thống điện
Hình 3.15 Thiết kế sơ bộ hệ thống điện
Hệ thống sẽ sử dụng điện lưới 220V thông qua các bộ chuyển đổi điện áp AC và DC để đạt được các điện áp như 12V, 5V, 3.3V để từ đó cấp điện áp phù hợp cho từng bộ phận của hệ thống.
• Thiết kế sơ đồ mạch điện trên Fritzing
35
Hệ thống mạch điện của hệ thống gồm 1 bảng mạch chứa bộ điều khiển trung tâm(Arduino Mega256), 4 led để báo hiệu kích thước của quả cà chua khi phân loại, header để cắm cảm biến tiệm cận hồng ngoại, header để cắm servo phân loại sản phẩm.
3. 2. 4 Chương trình điều khiển cho ứng dụng Winform
< ngưỡng > ngưỡng > ngưỡng < ngưỡng Phát hiện quả Chụp ảnh nền
Chụp ảnh quả
Tách nền ảnh
Tách màu xanh
So sánh tỉ lệ pixel màu xanh với số pixel của
quả Tính pixel của
ảnh và quả
So sánh tỉ lệ pixel của quả với tổng
pixel của ảnh
Kích thước lớn
Kích thước nhỏ Quả màu xanh Quả màu đỏ
Xuất tín hiệu điều khiển
36
Giao diện điều khiển sẽ bao gồm 2 phần chính : kết nối với Arduino Mega 256, phát hiện và xử lý màu của quả cà chua.
Chương trình điều khiển sẽ kết nối với vi điều khiển thông qua cổng SerialPort. Ảnh gốc được thu vào từ camera sẽ có kích thước 256x225 sẽ được chuyển đổi sang hệ màu RGB. Sau đó ảnh màu RGB sẽ được tách kênh màu theo ngưỡng theo như sau: GREEN(0,64,0) – (200,255,200). Tiếp đó ảnh sẽ được nhị phân hóa trắng đen rồi tính toán giá trị màu và so sánh với lượng pixel của ảnh để nhận diện phân loại ra màu sắc và kích thước.
3. 2. 5 Giao diện phần mềm điều khiển:
Hình 3.17 Giao diện phần mềm điều khiển
Giao diện của phần mềm điều khiển được thiết kế một cách đơn giản, dễ hiểu nhất để người dùng có thể dễ dàng sử dụng và thành thạo. Nhưng vẫn phải thể hiện được đầy đủ chức năng cần thiết mà hệ thống yêu cầu cũng như hiển thị các thông tin lên trên màn hình máy tinh. Các khối chức năng trong giao diện phải được thiết kế
37
và phân bố một cách hợp lý để không quá rườm rà, quá nhiều thao tác khi sử dụng giao diện để điều khiển hệ thống.
Các khối chức năng chính trong giao diện bao gồm:
Hình 3.18 Khối điều khiển và kết nối với vi xử lý trung tâm
Khối khởi động hệ thống với chức năng chính là bật camera và chụp ảnh quả cà chua khi đi vào khu vực chụp để phân loại. Đầu tiên sau khi bật, camera sẽ chụp BACK GROUND để lấy nền tiếp theo đó nền này sẽ được sử dụng khi quả cà chua được chụp. Thuật toán sẽ tách quả cà chua ra khỏi tấm nền đó và sẽ tiếp tục được hệ thống phân loại xử lý.
Khối hiển thị trạng thái kết nối với Arduino Mega256 thông qua cổng com với nhiều chế độ truyền Baud Rate khác nhau.Chuẩn truyền thông giữa phần mềm với Arduino Mega256 là UART(chuẩn truyền thông nối tiếp)
Hình 3.19 Hiển thị trạng thái hiện tại củ hệ thống
Khối thể hiện trạng thái của hệ thống với PORT là cổng giao tiếp. Khi DISCONNECTED là hệ thống chưa được kết nối vs Arduino còn nếu như là CONNECTED thì hệ thống đã đươc kết nối và sẵn sàng làm việc.
38
Hình 3.20 Khối cài đăt các ngưỡng kênh màu
Khối cài đặt các ngưỡng kênh màu cho phép chúng ta tùy chỉnh màu sắc, kích thước để phân loại quả theo ý muốn. Nếu muốn chỉnh màu sắc phân loại ta sử dụng MAX và MIN để chỉnh các ngưỡng màu, còn khi điều chỉnh kích thước của quả cà chua to hay nhỏ ta căn chỉnh SHAPE THRESHOLD để chọn kích thước quả đủ yêu cầu. Khi đó hệ thống sẽ so sánh pixel của quả cùng với pixel của ảnh sẽ chiếm bao nhiêu % nên lớn hơn mức đã chọn sẽ là quả to thỏa mãn yêu cầu. Thông thường tỉ lệ SHAPE THRESHOLD được chọn là 60%
39
- CAMERA: dùng để hiển thị hình ảnh trên băng tải.
- BACKGROUND: sử dụng làm nền để khi tách quả cà chua ra khỏi nền đó. - PHOTO: ảnh được chụp khi quả cà chua vào vùng chụp của modun phân loại. - DETECT OBJECT: quả cà chua sau khi được tách ra khỏi nền.
- GREEN CHANEL: nền còn lại sau khi quả cà chua được tách ra.
- QUANTITY: dùng để hiển thị số lượng quả cà chua đã được phân loại ra gồm có quả màu xanh (GREEN), quả màu đỏ (RED), quả có kích thước lớn đạt yêu câu (BIG), quả có kích thước nhỏ không thỏa mãn yêu cầu (SMALL).
40
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4. 1Kết quả đạt được
Sau thời gian thực hiện nghiên cứu, chế tạo, lắp ráp mô hình đồ án tốt nghiệp dưới sự cố gắng, nhiệt huyết của tất cả thành viên trong nhóm và sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo Nhữ Quý Thơ, nhóm đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng tiến độ và đáp ứng yêu cầu đã đề ra và thu được kết quả là:
- Thiết kế hoàn thiện hệ thống cơ khí.
- Thi công, lắp ráp được mô hình thực tế của hệ thống.
- Lập trình cho hệ thống thực tế hoạt động theo đúng yêu cầu đã đề ra. - Các mô đun hoạt động đúng chức năng và yêu cầu đề ra.
- Hệ thống vận hành đảm bảo độ an toàn cao.
- Sản phẩm hoàn thành phân loại ra được cà chua xanh, đỏ và to với nhỏ - Ngoài ra, việc thực hiện thành công mô hình đồ án còn giúp nâng cao tinh thần làm việc nhóm, nâng cao tinh thần học hỏi tìm tòi, là bước đà cho sự phát triển của bản thân sau này.
4. 1. 1 Mô hình cơ khí
Mô hình cơ khí sau khi thi công phải đảm bảo được sự chắc chắn, an toàn trong quá trình hệ thống phân loại làm việc. Giảm đáng kể những chi tiết thừa không cần thiết gây cồng kềnh. Dây điện cần phải được đi dây hợp lý tránh để dây điện thừa ra nhiều làm giảm tính thẩm mỹ của mô hình hệ thống và gây mất an toàn trong quá trình hệ thống vận hành.
41
Hình 4.1 Mô hình sau khi được hoàn thiện
Mô hình cơ khí sau khi được hoàn thiện có khối lượng là 30kg đáp ứng được yêu cầu đặt ra về độ bền, chắc chắn và hoạt động ổn định bao gồm có các thành phần là:
Băng tải: bề mặt băng tải là bề mặt làm việc chính của hệ thống. Hệ thống sẽ phải di chuyển các quả cà chua có khối lượng trung bình là 25g đi đến hết băng tải nên nhóm đã chọn một số thông số cho băng tải
- Chiều dài 990mm. - Chiều rộng 200mm.
42
Hình 4.2 Băng tải
- Cấu tạo:
+ Động cơ DC giảm tốc là động cơ Tsukasa + Puly truyền động đai loai đai A24.
+ Con lăn có đường kính 40mm.
+ Khung băng tải gia công bằng nhôm định hình 30x30 và 30x60.